CN106876575A - 压电元件及其制造方法、超声波探测器、超声波测定装置 - Google Patents

压电元件及其制造方法、超声波探测器、超声波测定装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供压电元件及其制造方法、超声波探测器、超声波测定装置。压电元件具备压电体；以及振动板，将具有杨氏模量相对高的高杨氏模量取向与杨氏模量相对低的低杨氏模量取向的各向异性的单晶硅作为振动用材料，所述压电体和所述振动板以使所述低杨氏模量取向处于沿着根据所述压电体的支承构造产生的伸缩程度相对高的高伸缩方向与伸缩程度相对低的低伸缩方向中的高伸缩方向的方向上的方式层叠。

Description

压电元件及其制造方法、超声波探测器、超声波测定装置
相关申请的交叉引用
于2015年11月4日提交的日本专利申请No.2015-216383的全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及压电元件等。
背景技术
将利用压电元件作为超声波的发送用及接收用的换能器的超声波探测器及超声波测定装置进行使用来测定生物体信息，并进行血管机能的评价或血管疾病的判断。例如，专利文献1中公开了利用通过处理接收到的超声波的振幅信息而得到的来自生物体组织的反射波信号强度与通过处理接收到的超声波的相位信息而得到的生物体组织的移动速度来自动地检测出血管壁的超声波探测器及超声波测定装置。
上述超声波探测器及超声波测定装置中使用的压电元件是例如如专利文献2公开的那样在薄膜上的振动板上层叠压电体而制成。
然而，在将压电元件作为将电转换为物理性运动(例如振动)的致动器而进行使用情况下，由于期望低耗电且得到高动能的高收益性，因此如何提高转换效率则尤为重要。作为提高转换效率的一种方法，想到了使振动板变薄，但是由于制造技术上的制约，因此对于变薄也存在界限，从而通过振动板的薄化来提高转换效率的方案已经到达了极限。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-173177号公报
专利文献2：日本特开昭60-206315号公报
发明内容
本发明的目的在于提供使将电转换为物理性运动时的压电元件的转换效率提高的新技术。
为了解决上述技术问题的第一发明是一种压电元件，具备压电体；以及振动板，将具有杨氏模量相对高的取向和杨氏模量相对低的取向(以下称为“低杨氏模量取向”)的各向异性的单晶硅作为振动用材料，所述压电体和所述振动板以使所述低杨氏模量取向处于沿着根据所述压电体的支承构造产生的伸缩程度相对高的方向(以下称为“高伸缩方向”)和伸缩程度相对低的方向中的高伸缩方向的方向上的方式层叠。
在后面详细地说明，但可以了解到压电体的高伸缩方向沿着振动板的低杨氏模量取向而被制成的振动板，相比于沿着该以外的方向而制成的振动板，将电转换为物理性运动时的转换效率更高。因此，根据第一发明，即使切出振动板的材料的薄厚相同，也能够制成电转换为物理性运动时转换效率高的压电元件。
更具体而言，作为第二发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(001)，所述低杨氏模量取向为(100)或(010)。
另外，作为第三发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(001)，所述低杨氏模量取向为(001)或(100)。
另外，作为第四发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(100)，所述低杨氏模量取向为(010)或(001)。
另外，作为第五发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(110)，所述低杨氏模量取向为(-100)或(001)。
另外，作为第六发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(011)，所述低杨氏模量取向为(0-10)或(100)。
另外，作为第七发明，第一发明的压电元件构成为所述单晶硅的面取向为(101)，所述低杨氏模量取向为(10-1)或(010)。
第八发明是具备第一～第七的任一发明的压电元件的、用于超声波的发送超声波探测器。
根据第八发明，能够实现优选用于超声波的发送的超声波探测器。
第九发明是具备第八发明的超声波探测器的超声波测定装置。
根据第九发明，能够实现将电转换为物理性运动时高转换效率的超声波测定装置。
第十发明是一种压电元件的制造方法，包括：从具有杨氏模量相对高的取向和杨氏模量相对低的取向(以下称为“低杨氏模量取向”)的各向异性的单晶硅晶圆切出用于振动板的振动用材料的工序；以及所述压电体和所述振动板以使所述低杨氏模量取向处于沿着根据压电体的支承构造产生的伸缩程度相对高的方向(以下称为“高伸缩方向”)和伸缩程度相对低的方向中的高伸缩方向的方向上的方式层叠的工序。
根据第十发明，能够制造具有第一发明的作用效果的压电元件。
附图说明
图1是示出第一实施方式中的超声波测定装置的系统构成例的图。
图2是示出第一实施方式中的超声波探测器的构成例的图。
图3是示出第一实施方式中的第二压电元件的构成例的俯视图。
图4是图3中的A-A截面图。
图5是图3中的B-B截面图。
图6是示出在単晶硅的(001)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表。
图7是用于说明第一实施方式中的第二压电元件的制造工序的流程图。
图8是用于说明第一实施方式的(001)面取向的硅晶圆中硅层及振动板的图案化的位置关系的概念图。
图9是示出在单晶硅的(110)面内中的杨氏模量的各向异性的例子的图表。
图10是用于说明第二实施方式的(110)面取向硅晶圆中硅层及振动板的图案化的位置关系的概念图。
图11是根据(110)面取向的硅晶圆，示出使振动板的长度方向沿着面取向(001)而制成的第二压电元件与使振动板的长度方向沿着面取向(-111)而制成的第二压电元件的传感器灵敏度不同的试验结果的图表。
图12是示出第三实施方式中的第二压电元件的构成例的俯视图。
图13是图12的C-C截面图。
图14是图12的D-D截面图。
图15是示出第二压电元件的构成的变形例的截面图(变形例一)。
图16是示出第二压电元件的构成的变形例的截面图(变形例二)。
图17是示出第二压电元件的构成的变形例的截面图(变形例三)。
图18是示出在单晶硅的(010)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表。
图19是示出在单晶硅的(100)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表。
图20是示出在单晶硅的(011)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表。
图21是示出在单晶硅的(101)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表。
具体实施方式
第一实施方式
图1是示出本实施方式中的超声波测定装置10的系统构成例的图。
超声波测定装置10是通过向被测定者2发送超声波而测定反射波，来测定被测定者2的生物体信息的装置。在本实施方式中，对作为生物体信息之一的、被称为颈动脉3的IMT(Intima Media Thickness：血管的内膜中膜复合体厚度)的血管机能信息进行测定。当然，除了IMT之外，也可以是测定血管径、或从血管径估计血压、从血管径的变化算出脉搏这样的其它的血管机能信息或生物体信息。另外，测定对象不限于人。
超声波测定装置10具有测定控制装置20、以及粘贴型超声波探测器40。
测定控制装置20是便携式的计算机，具备兼备用于图像显示测定结果或操作信息的单元及用于操作输入的单元的触摸面板22、在与超声波探测器40之间控制信号的发送并接收的接口电路24、和控制基板30。除此之外，适当地具备未图示的内置电池等。
在控制基板30中，搭载有CPU(Central Processing Unit：中央处理器)31，或ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)、FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)、各种集成电路之外，实现IC存储器32经由接口电路24与外部装置(在本实施方式中为超声波探测器40)数据通信的通信IC33。控制基板30通过以CPU31等执行存储于IC存储器32的控制程序，从而实现以超声波测定为主的本实施方式所涉及的各种机能。
即，超声波测定装置10通过控制基板30的运算处理等，从粘贴于被测定者2的超声波探测器40向生物体组织发送/照射超声波束，并接收反射波。然后，通过对反射波的接收信号进行增大及信号处理，能够生成涉及被测定者2的生物体内构造的反射波数据。然后，根据反射波数据，实现各种生物体信息的连续性的测量与数据存储。
图2是示出本实施方式中的超声波探测器40的构成例的图，是从与被测定者2的粘贴面(超声波发送及接收面)一侧观察的图。
超声波探测器40在粘贴面侧具有使超声波探测器40装卸自如地粘着于被测定者2的皮肤的粘着部42、以及超声波传感器44。
超声波传感器44是在超声波发送及接收面的长边方向和短边方向二维排列多个超声波换能器46的集合体。超声波探测器40以超声波传感器44的长边横断颈动脉3的短轴方向的相对姿势粘贴于被测定者2的皮肤表面。
一个超声波换能器46包括第一压电元件50和第二压电元件60，第一压电元件50用于超声波的发送，第二压电元件60用于反射波的接收。
图3是示出本实施方式中的第一压电元件50的构成例的俯视图。图4是图3中的A-A截面图。图5是图3中的B-B截面图。
本实施方式的第一压电元件50是如果向压电体施加电压则产生物理性(机械性)运动的元件。更具体而言，根据电压而伸缩的元件。
本实施方式的第一压电元件50在设置有空洞部51(空洞部51被打开)的在俯视观察下为矩形状的支承基板52的上表面接合薄膜状的硅层57。此外，还可以在支承基板52的上表面形成硅层57后形成空洞部51。
硅层57具有横跨空洞部51的双支承梁构造(两端固定支承构造)的振动板53。即，硅层57以覆盖空洞部51的方式而接合，但沿着在俯视观察下呈矩形的空洞部51的长度方向的边缘部设置有两条狭缝54。该两条狭缝54恰好创建沿长度方向横跨空洞部51的薄板的桥梁构造即、薄板的双支承梁。
然后，在振动板53的上表面层叠致动器部55。本实施方式的致动器部55构成为在上部电极552和下部电极553之间夹着将电能转换为动能的压电体551。在本实施方式中，使用压电陶瓷、锆钛酸铅(PZT)作为压电体551，但也可以适当选择其它的压电材料。
如果在上部电极552和下部电极553之间施加交流电压，则压电体551及振动板53向高伸缩方向(本实施方式的构成中振动板53的长度方向)周期性伸缩。也就是说，致动器部55及振动板53振动。由此，第一压电元件50向其上方(靠近图3一侧、图4及图5的上侧)或下方(图3的背面侧、图4及图5的下侧)输送超声波。
从第一压电元件50发出的超声波在被测定者2的体内反射。第二压电元件60接收反射波，输出与反射波的强度对应的电压。超声波测定装置10通过在该测定控制装置20对该电压进行运算处理，从而算出生物体信息。
然而，根据第一压电元件50由电向物理性运动的转换效率(以下适当地仅称为“转换效率”)取决于如果除了致动器部55的话则如何使振动板53变薄，但由于制造技术上的制约因此对此也存在界限。
在此，在本实施方式中，为了提高第一压电元件50的转换效率，将作为振动板53的薄板材料为具有根据取向而杨氏模量不同的各向异性的材料。然后，以振动板53的高伸缩方向沿着杨氏模量相对低的取向(低杨氏模量取向)的方式制成第一压电元件50。振动板53的高伸缩方向是取决于振动板53的支承构造，但在本实施方式的情况下，由于是在两端支承长度形状的压电体551的构造，因此是长度方向。
图6是示出单晶硅的(001)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表，并标注为靠近图6的方向为面取向(001)、图6的下侧为面取向(110)。
如图6所示，单晶硅的(001)面内中的杨氏模量具有四边的中央稍向内侧凹陷的菱形状的各向异性。本实施方式中作为振动板53的材料以使长度方向处于沿着杨氏模量局部降低的面取向(100)与面取向(010)中的任一面取向的方向上的方式而切出。
图7是用于说明本实施方式中的第一压电元件50的制造工序的流程图。本实施方式中的第一压电元件50的制造工序是首先，通过将单晶硅锭在杨氏模量的各向异性产生的(001)面取向进行切片而制成硅晶圆7(步骤S6)。此外，不仅是由单晶硅锭切片而制成硅晶圆7，也可以通过单独购买(001)面取向的硅晶圆等来进行准备。
接着，在该硅晶圆7使振动板53的长度方向沿着低杨氏模量取向，图案化第一压电元件50并切出包含作为振动板53的材料的第一压电元件50的硅层57(步骤S8)。然后，将包含上部电极552及下部电极553的压电体651与振动板53层叠而制成第一压电元件50(步骤S10)。
图8是用于说明本实施方式的(001)面取向的硅晶圆7中包含振动板53的硅层57的图案化的位置关系的概念图。
在图8中，在(001)面取向的硅晶圆7中，在对应于面取向(110)的边缘部形成有取向平面71。因此，将该取向平面71作为记号，逐个图案化第一压电元件50的硅层57。具体而言，被图案化使得振动板53的长度方向处于沿着作为低杨氏模量取向的面取向(100)与面取向(010)中任一面取向的方向上。
此外，在图8中，为了容易理解，用于一个第一压电元件50的硅层57的大小表示为比实际的大。
以上，根据本实施方式，能够实现作为使振动板53的厚度保持原样，并使转换效率提高的高输出/节能型的压电致动器的第一压电元件50。
此外，本实施方式的第一压电元件50为层叠构造，但还可以采用在上表面侧设有薄膜片层的构成。
第二实施方式
接着，说明适用于本发明的第二实施方式。
本实施方式基本上与第一实施方式同样地实现，但使用的硅晶圆的面取向不同，因此包含振动板53的硅层57的图案化的方向不同。此外，以下主要说明与第一实施方式的差异，相同的构成要素标注相同的符号，并省略说明。
图9是示出单晶硅的(110)面内中杨氏模量的各向异性的例子的图表，并标注为靠近图9的方向为面取向(110)、图9的下侧为面取向(-111)。
单晶硅的(110)面内中杨氏模量具有四边的中央稍向内侧凹凹陷的菱形状的各向异性。因此，在本实施方式中，以使振动板53的长度方向沿着杨氏模量局部降低的面取向(001)与面取向(-110)中的任一面取向的方式而切出包含振动板53的硅层57。
图10是用于说明在(110)面取向的硅晶圆7B中包含振动板53的硅层57的图案化的位置关系的概念图。
在(110)面取向的硅晶圆7B中，在面取向(-111)形成有取向平面71。因此，以取向平面71为基准，逐个图案化第一压电元件50的硅层57。具体而言，被图案化使得振动板53的长度方向处于沿着作为低杨氏模量取向的面取向(001)与面取向(-110)中任一面取向的方向上。
图11是根据(110)面取向的硅晶圆7，示出使振动板53的长度方向沿着面取向(001)(低杨氏模量取向)而制成的第一压电元件50a与使振动板53的长度方向沿着面取向(-111)(高杨氏模量取向)而制成的第一压电元件50b的转换效率不同的试验结果的图表。如图11所示，即使是由相同厚度的硅晶圆7制成的振动板，使长度方向沿着面取向(110)(低杨氏模量取向)而制成的第一压电元件50a与沿着面取向(-111)(高杨氏模量取向)而制成的第一压电元件50b相比，对于超声波的响应性提高约1.27倍。
在第二实施方式中，和第一实施方式同样地，能够实现振动板53的厚度保持原样，而使转换效率提高的第一压电元件50。
第三实施方式
接着，说明适用本发明的第三实施方式。
本实施方式基本上与第一实施方式同样地实现，但第一压电元件50的构造不同。此外，以下主要说明与第一实施方式的差异，相同的构成要素标注相同的符号，并省略说明。
图12是示出本实施方式中的第一压电元件50C的构成例的俯视图。图13是图12的C-C截面图。图14是图12的D-D截面图。在本实施方式的第一压电元件50C中，振动板53形成为相对于空洞部51而延伸设置的薄板的单支承梁构造。
包含振动板53的硅层57的硅晶圆7的图案化和第一实施方式或第二实施方式相同。
变形例
以上，说明了适用本发明的实施方式，但是能够适当地进行构成要素的增加、省略、以及变更。
(变形例一)
例如，在上述实施方式中，将振动板53作为硅的单层构造，但是如图15的振动板长度方向截面图(相当于图5)所示，也可以是在与致动器部55之间具有氧化锆层58或二氧化硅层59的多层构造。
(变形例二)
另外，在上述实施方式中，将支承基板52和硅层57用作不同材料，但是如图16的振动板长度方向截面图所示，可以将支承基板52和硅层57用作同一材料，也可以通过蚀刻等制成空洞部51。
(变形例三)
另外，在上述实施方式中，在振动板53的周围设有狭缝54，但如图17的截面图(相当于图4)所示，也可以为省略狭缝54的构成。例如，如果使振动板53为俯视观察下呈矩形，则能够成为以支承基板52支承该四片的支承构造。此时，由于受到外力时的高伸缩方向为振动板53(压电体551)的短边方向，因此该方向以沿着低杨氏模量取向的方式制成/层叠振动板53即可。同样的方式也能够适用于图15及图16的构成。
(变形例四)
另外，在上述实施方式中，一个超声波换能器46构成为分别具有发送用的第一压电元件50和接收用的第二压电元件60，但是当然也可以为第一压电元件50兼有接收作用的构成，而不使用第二压电元件60的构成。
(变形例五)
另外，在上述实施方式中，将振动板53的材料作为单晶硅，但是能够在偏角方向上以具有杨氏模量的各向异性的结晶取向面制成薄板的材料即可，也可以是其它物质。例如，能够利用与砷化镓等硅相同的碳族的其它元素(第14族元素)的材料等。
(变形例六)
另外，第一实施方式也能适用于面取向(010)的单晶硅及面取向(100)的单晶硅。
即，单晶硅的(010)面内中杨氏模量也具有如图18所示的各向异性。因此，将作为振动板53的材料以使长度方向沿着杨氏模量局部降低的面取向(001)与面取向(100)中的任一面取向的方向的方式切出即可。
同样地，单晶硅的(100)面内中的杨氏模量也具有如图19所示的各向异性。因此，将作为振动板53的材料以使长度方向沿着杨氏模量局部降低的面取向(010)与面取向(001)中的任一面取向的方向的方式切出即可。
(变形例七)
另外，第二实施方式也能够适用于面取向(011)的单晶硅及面取向(101)的单晶硅。
即，单晶硅的(011)面内中的杨氏模量也具有如图20所示的各向异性。因此，将作为振动板53的材料以使长度方向沿着杨氏模量局部降低的面取向(0-11)与面取向(100)中的任一面取向的方向的方式切出即可。
同样地，单晶硅的(101)面内中的杨氏模量也具有如图21所示的各向异性。因此，将作为振动板53的材料以使长度方向沿着杨氏模量局部降低的面取向(10-1)与面取向(010)中的任一面取向的方向切出即可。

Claims (10)

1.一种压电元件，其特征在于，
具备：
压电体；以及
振动板，将具有杨氏模量相对高的高杨氏模量取向与杨氏模量相对低的低杨氏模量取向的各向异性的单晶硅作为振动用材料，
所述压电体和所述振动板以使所述低杨氏模量取向处于沿着根据所述压电体的支承构造产生的伸缩程度相对高的高伸缩方向与伸缩程度相对低的低伸缩方向中的高伸缩方向的方向上的方式层叠。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(001)，所述低杨氏模量取向为(100)或(010)。
3.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(001)，所述低杨氏模量取向为(001)或(100)。
4.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(100)，所述低杨氏模量取向为(010)或(001)。
5.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(110)，所述低杨氏模量取向为(-100)或(001)。
6.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(011)，所述低杨氏模量取向为(0-10)或(100)。
7.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，
所述单晶硅的面取向为(101)，所述低杨氏模量取向为(10-1)或(010)。
8.一种超声波探测器，其特征在于，
具备权利要求1至7中任一项所述的压电元件，用于超声波的发送。
9.一种超声波测定装置，其特征在于，
具备权利要求8所述的超声波探测器。
10.一种压电元件的制造方法，其特征在于，
包括：
从具有杨氏模量相对高的高杨氏模量取向与杨氏模量相对低的低杨氏模量取向的各向异性的单晶硅晶圆切出用于振动板的振动用材料的工序；以及
所述压电体和所述振动板以使所述低杨氏模量取向处于沿着根据压电体的支承构造产生的伸缩程度相对高的高伸缩方向与伸缩程度相对低的低伸缩方向中的高伸缩方向的方向上的方式层叠的工序。
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